生物传感器的前世今生
作为漫威宇宙中最炙手可热的超级英雄之一—托尼斯塔克拥有着令人称羡的“钢铁侠”战甲，身披战甲的托尼不仅可以遨游太空，也可以拯救世界。在电影中，“聪明”的战甲除了能提供强大的作战和防御能力以外，还能实时监测托尼的心率、呼吸、精神状态或是可能出现的身体问题，为他做出及时有效的健康评估和作战指导，甚至可以通过感应托尼的脑电波与人工智能“贾维斯”进行交流互动。无论是钢铁侠的战甲还是《终结者》中的机械手，或是《少数派报告》中的体感手套，这些让人眼花缭乱的“神器”背后，都离不开我们这篇文章的主角——生物传感器。“传感器”一词起源于拉丁语“sentire”，含义是“识别”东西，它是一种识别来自外界环境的刺激和信号的设备。而生物传感器（biosensor）就是专门用于获取和分析各种生物信号的传感器，生物传感就是一个结合了生命科学、分析化学、物理学及信息科学等技术，对生物信号及相关的生命物质进行快速分析和追踪的领域。我们能看到五颜六色的花朵，听到除夕夜此起彼伏的爆竹声，嗅到爸爸妈妈准备的一桌好饭——这种通过眼睛、耳朵和鼻子来感知外部环境的过程就是一种典型的传感器的工作方式。除了这些我们人类“自带”的生物传感器以外，现实生活中也随处可见生物传感器的影子：家里的电子体重秤，医院里的血糖检测仪、水银体温计，听力有障碍的人使用的助听器等。生物传感器是怎么工作的呢？它需要完成图1所示的生物传感器工作过程中最重要的三个环节：（1）生物信号被吸引到生物传感器表面的生物信号识别元件；（2）生物信号与生物信号识别元件之间相互作用；（3）生物信号转换元件把识别的结果转换为电信号用于进一步分析处理。完成了这三步，那些“看不见，摸不着”的生物信号就摇身一变，变成了数码显示屏上的数字或是图片，以便我们能更好地分析隐藏在生物信号背后的现象和问题。
图1 生物传感器的工作机制
1962年，美国Leland C.Clark Jnr教授第一次提出了酶传感器。作为第一个走进公众视野的生物传感器，酶传感器的概念被 Clark和 Lyons用实验实现了：他们在电极表面固定了葡萄糖氧化酶，通过电极和葡萄糖的选择性电化学反应过程建立了氧浓度与溶液中的葡萄糖浓度的关系。由此开始，生物传感器不断发展，传感也不再局限于生物反应的电化学过程，而是包含了生物学反应中产生的各种信息（如光效应、热效应、压电效应等）。生物传感器也逐渐成为了我们在食品安全、环境保护、医学诊断等各个领域的好帮手。
一般来说，生物传感器可以分为四类：电化学生物传感器，光学生物传感器，压电生物传感器和热量生物传感器。电化学生物传感器。提到电化学生物传感器你一定不陌生。基于葡萄糖氧化酶的生物传感器就是第一个电化学生物传感器，它对于糖尿病患者定期监测血糖至关重要。生物分子与目标分析物之间发生电化学反应产生或消耗离子或电子，从而改变溶液的电性能（电流或电势），这就是电化学生物传感器的基本原理。除了血糖监测，电化学生物传感器还可以实时连续地检测口腔唾液中的尿酸。2015年，Bahadi[3]等人成功使用电化学生物传感器检测激素。除此之外，电化学生物传感器能检测多巴胺，抗坏血酸等等生物信号，在临床异常或疾病诊断中都有非常亮眼的表现。
光学生物传感器。光学传感器，顾名思义，它是通过响应光学信号（荧光或光学衍射）实现传感的生物传感器。光学生物传感器在药物发现、生物传感和生物医学等各个领域都扮演着重要角色。光学生物传感器由一个光源以及许多光学组件组成，一般分为荧光检测模块、机械运动模块、电控模块和软件模块四个模块。用于DNA检测的生物传感器也可以通过光学生物传感器实现。
压电生物传感器。压电生物传感器是生物元素与压电材料（石英、电气石、氮化铝等）的结合。随着分子结合质量的增加，晶体的振荡频率发生变化，产生的变化可以用电测量，最终用于确定晶体的附加质量，由此可以设计出质量传感器。电子体重秤就是质量传感器的应用之一。除此之外，压电生物传感器对分子进行无标记（labelfree）检测。在过去十年中，生物分子在功能化表面上的吸附成为压电换能器最重要的应用之一。压电生物传感器还可以响应一些界面现象，比如固定受体对蛋白质配体的特异性识别，吸附分子的表面电荷和表面粗糙度等等。
热量生物传感器。“热能”是自然界最常见的能量形式之一，生物传感器自然也不会“放过”它。热量生物传感器是通过将生物分子固定在酶热敏电阻上组成的。通过测定生物分子在特定化学反应中释放热量的多少，可以测定该生物分子的含量。Bhand和其团队发明了一种果糖选择性热量生物传感器[5]，并成功应用于商业糖浆样品中果糖的测定。
“无所不能”的生物传感器
形形色色的生物传感器在人们生活的方方面面都扮演着不可替代的角色。在环境监测中，生物传感器广泛应用于污水检测、农药定量检测等。在食品工业领域，生物传感器可以完成在葡萄酒和饮料中测量葡萄糖、果糖、甘油、乳酸、苹果酸或乙酸等分析物的测定，还可以测量食品中的微生物和毒素，确定食品的鲜度，评估食品的质量等等。当然，医学是生物传感器最重要的应用领域，生物传感器在医学领域的应用需求在不断增长。目前，生物传感器在诊断传染病、检测抗体沉积、心血管疾病的检测中发挥着重要的作用。
商业上应用最成功的生物传感器是葡萄糖生物传感器，约占整个生物传感器市场的85％。葡萄糖生物传感器的发展可以分为三个阶段，第一代葡萄糖生物传感器通过检测酶促反应中氧气的消耗或过氧化氢的生成来监测葡萄糖的浓度，但是检测环境中氧气的含量变化极大地限制了测量精度。第二代葡萄糖生物传感器提高了电子传输速率，第三代葡萄糖生物传感器的一大优势是操作电势低，电子通过酶的活性位点直接从葡萄糖转移到电极上，不需要其他介质。如今，葡萄糖生物传感器为了满足了个人（家庭）血糖测试的需求，在向小型化、便携化的方向不断发展。许多公司制造和销售的血糖测试条已被糖尿病患者广泛使用。图2中展示的就是一款商用的血糖检测仪，使用者只需要刺破手指，将小血滴滴到测试条上的相应区域，在5-30 s内就能在液晶显示屏上读取血糖浓度。
图2 商用血糖检测仪示意图
此外，近年来新兴的可穿戴传感器可以连续地监测人体状态，是实现个性化医疗极具前景的重要技术。通过多个传感器的系统集成，可以实现对复杂生物信号的测量和分析。韩国延世大学的Minpyo Kang设计了一款可穿戴的三维电容式触摸传感器（图3）。这种触摸传感器集成了透明且可拉伸变形的电极，通过感知外部的压力信号来识别接近物体的形状和大小，就像一层神奇的电子皮肤。
图3 电容式触摸传感器
除此之外，另一种可穿戴的智能电子贴片（图4）可以轻易地附着在使用者的手腕、脖子或者额头上，在不同的环境下检测皮肤表面的湿度和温度，从而实现对人体的健康监测。
图4 皮肤温度传感器
更有趣的是，新加坡国立大学的Chengkuo Lee团队研发了一款智能袜子（smartsocks）用于连续监测人体的健康信号。正如图5所示，虽然这种袜子表面上看和普通的袜子没有什么区别，却可以实现包括能量收集、步行模式识别、运动跟踪、步态感应以及汗液感应等多种功能。
图5 用于步态分析的智能袜子
小传感，大未来
随着科学技术水平的不断发展，许许多多的生物传感器广泛地应用于人类的生活。除了继续优化生物传感器的准确性、可靠性，提高传感器的生物相容性也是重要的探索方向。未来的生物传感器将会颠覆传统器件体积大、不可弯折的特点，朝着小型化、柔性化方向发展；实现传感器与人体柔软的皮肤、器官无缝贴合；进一步实现像弹性橡胶一样的可拉伸性能，以适应在探测过程中人体各部位可能出现的形变。甚至，能在人体内溶解消失的生物传感器也会成为现实：器件完成传感任务后会像可降解医用缝线一样被人体安全地吸收，从而避免二次手术。此外，各种智能材料的蓬勃发展也为可重构、可对周围环境响应的智能生物传感器创造了多种的可能性。相信在未来，生物传感器会像“钢铁侠”的战甲一样，在保护环境、保卫人类健康的进程中发挥更重要的作用。
参考文献从略
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